Admin:
schotki@yandex.ru.

Пуско – зарядное устройство для автомобиля.

                Пуско-зарядное устройство должно иметь мощность 12…13.5V * 60A ~= 800W, устройство должно работать в двух режимах: режиме пука и режиме заряда.

В режиме пуска напряжение на выходе ограничиваться на уровне 14…15 (подбирается заменой стабилитрона Д814Д*), а также, в целях защиты ключа и выходных диодов ограничивается выходной ток на уровне 60A (подбирается резистором на 1 Ом*, через который регулятор тока подключен к «земле»).

В режиме заряда выходной ток необходимо ограничить на уровне 1/10 от номинальной ёмкости аккумулятора, ориентировочно 6…10A, и таким током заряжать аккумулятор в течении 12…16 часов. Впрочем, на свинцово – кислотных аккумуляторах, применяемых в автомобилях, и после окончания их зарядки можно поддерживать напряжение 14…14.7V, так что прозевать момент заряда – не страшно.

Можно заряжать аккумуляторы и большим током, вплоть до их номинального, однако при этом электролит в аккумуляторе склонен перегреваться, поэтому для такого режима желательно предусмотреть схему измерения температуры электролита, и автоматического снижения зарядного тока. Но это уже тема другой статьи.

                И так сетевое напряжение через автомат на 8А и терморезистор ТР-10 10 Ом (для ограничения тока заряда конденсатора фильтра) поступает на вход диодного моста с номинальным током 8, или более ампер. Терморезистор в холодном состоянии имеет сопротивление 10 Ом, а в горячем – 0.2 Ом, способен пропускать через себя максимальный ток 5А. То есть на нем при максимальном токе рассеивается 5А^2 * 0.2Ом = 5W, что весьма не много. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром на конденсаторе 470 мкФ, 450В; конденсатор 2.2мкФ установлен для того, чтобы импульсная составляющая легко замыкалась через источник входного напряжения.

Для того чтобы не мотать дополнительную обмотку на трансформаторе T1 (хотя место имеется) схема управления питается от отдельного обратноходового преобразователя, обычно для этих целей я переделываю зарядные устройства от мобльников, их в наше время можно найти даже на помойке. Поскольку схемы всех зарядников разные, то я не привожу схему его переделки. В этом конкретном случае в заряднике был заменён только стабилитрон с 7.5V на 14V и выходной конденсатор с напряжения 16V на 25V.

Ключ IRG4PF50U управляется через буферный драйвер на транзисторах КТ972, КТ973, хотя микросхема UC3845 имеет нагрузочную способность 200mA, однако при этом питать её нужно повышенным напряжением, по этому, и применён буферный драйвер, кроме того, у IRG4PF50U достаточно большая ёмкость затвора, поэтому перезаряжать её желательно внешним драйвером. Оптимальный режим работы IGBT транзисторов достигается тогда, когда на его затворе напряжение находится в пределах 10…15V, пожалуйста проверяйте это осциллографом, иначе ключ будет перегреваться из-за неполного открывания или закрывания.

Микросхема UC3845 применена практически в стандартном включении, обратная связь по напряжению осуществлена через оптопару PC123 (можно применить любую другую типа светодиод – транзистор) опять же для того чтобы не мотать дополнительной обмотки на Т1.

Сигнал обратной связи по току подаётся на вывод 3 микросхемы. Когда этот сигнал превышает 1V микросхема перестаёт открывать силовой ключ. Трансформатор тока наматывается на кольце К20х12х6, можно меньше, можно больше, кольцо желательно разломить и склеить для того, чтобы был немагнитный зазор. Я намотал на таком кольце 50 витков, хотя можно было бы и 10 и 100. Если витков больше, то нагрузочное сопротивление должно быть больше, и наоборот. При выходном токе 1А нагрузочное сопротивление (так, чтобы на нём падало напряжение 1V) должно быть 1V / (1А / 50витк) = 50 Ом. Практика показала, что обратная связь по току устойчиво работает и при 30-и омном и при 100 омном нагрузочном резисторе. Но при нагрузочном резисторе 100 Ом токоограничивающий резистор получается в районе 1 Ом*, что облегчает настройку.

Некоторые осциллограммы работы схемы (при отключенных ОС, с нагрузкой ~=2 Ом).

Расчёт силового трансформатора.

Следует оговориться, что методика расчёта позаимствована из журнала «Радио», а составлял её человек, не знающий о том, что однотактный преобразователь может работать на полной петле гистерезиса. Но это нам не повредит, так как в дальнейшем можно будет снизить частоту работы преобразователя, и тем самым облегчить работу силового транзистора.

Для уменьшения индуктивности рассеянья такие трансформаторы (с малым числом витков) следует мотать особыми способами. Я поступаю следующим образом: наматываю половину свитых первичных обмоток, затем полностью вторичную обмотку, и затем оставшуюся половину первичных обмоток. Между первичными и вторичной обмотками, естественно прокладываю фторопласт, можно лакоткань, несколько слоёв конденсаторной бумаги, или даже тканевую изоленту. Для подробностей см. журнал «Схемотехника» №1 2004г. Статья: «Потери на вихревые токи в обмотках трансформатора».

Параметры материала М2000НМ.

Bs=0,38Тл (при Н=800А/м),

Bm=0.26Тл (при Н=100А/м и t=60C),

Br=0.12Тл – остаточная индукция,

Нс=20 А/м. Коэрцитивная сила.

Параметры Ш16*40 (два сложенных вместе Ш16*20).

Sм=6,4см2 – площадь магнитопровода;

So=4,2см2 – площадь окна;

SмSo=26,88см2,

lср=123мм – средняя длина магнитной линии

1. Расчёт немагнитного зазора. Br2 – остаточная индукция с немагнитным зазором. Зададимся целю сделать Br2 = 0.02.

σ = 1.257E-6 * lср* Hc / (1.41 * Br2) = 1.257E-6 * 123 * 20 / (1.41 * 0.02) = 0.2мм.

2. U1 = 300 V; u2 = 20 V; i2 = 60 A;

U2 = u2 / λ = 40 V; k = U1 / U2 = 7.5;

i2эфф = i2 * sqrt(λ) = 42.4 A; i1эфф = i2эфф / k = 5.6 A; (то есть f_maxIRG4PH50U = 40…45 кГц)

I1 = i2 / k = 8 A.

3. Число витков первичной обмотки.

Зададим Bm = 0.2 (для того, чтобы магнитопровод грелся меньше), тогда ΔB = 0.18

w1 = u1 / (2E-4 * Sм * ΔB * f ) = 300 / (2E-4  * 6.4 * 0.18 * f ) = 1302083 / f

Построим таблицу зависимости необходимого количества витков от частоты. 1302083 / n = f.

Расчёт плотности тока, в зависимости от количества витков, и соответственно частоты. Коэффициент заполнения окна для двух из основных обмоток выбираем равным – ko = 0.2, или даже меньше т.к. число обмоток – три.

J = i1эфф * w1 / (50 * So * ko) = 5.6 * w1 / (50 * 4.2 * 0.18) = 0.15 * w1

J = i2эфф * w2 / (50 * So * ko) = 42.4 * w2 / (50 * 4.2 * 0.18) = 0.122 * w2

Плотность тока 4.5 А/мм2 уже допустима, поэтому выбираем w1 = 30; w2 = 4.

От величины индуктивности дросселя зависит минимально-возможный ток заряда, если ток дросселя не будет непрерывным, то трансформатор не будет работать на полной петле гистерезиса.

Сечение обмотки зависит от максимального тока и плотности тока - Sпр = 60 / 4 = 15 мм2;

Найдём необходимую величину индуктивности дросселя для разных минимальных токов нагрузки:

L = U2² / (2 * U2 * i2 * f) = 30² / (2 * 30 * i2 * 45000) [Гн];                       L = 333 / i2 [мкГн].            

Возьмём ШЛ18 x 40;         (Sc = 7.2) * (Sk = 0.82) = 5.9;            So = 10.5 см²;      Sc * So = 75.6 см²;

w = 100 * So * ko * J / i  = 100 * So * 0.35 * 4.5 / 60  = 3.3 * So = 2.67 *  10.5 = 28;

σ = i * w / (796 * Bm) = 60 * w / (796 * 1) = 0.075 * w = 0.075 * 28  = 2.1;

L = 0.125 * Sc * Sk * w² / σ = 0.125 * 5.9 *  28² / 2.1 = 275 [мrГн].

То есть минимально возможный ток заряда с таким дросселем будет около 1.25 А.

Хотелось бы меньше, но слишком большой дроссель получится.